In Verbindung mit dem demografischen Wandel wird die Sicherstellung der Bewegungsfähigkeit des Menschen in der Arbeitswelt eine zentrale Aufgabe. Körperlich belastende Tätigkeiten in Logistik, Industrie, Handwerk, Service und Dienstleistungen führen zu einem frühzeitigen Verschleiß der Wirbelsäule und somit zu Arbeitsausfällen sowie einer reduzierten Lebensqualität der Betroffenen. Laut einer Studie der Techniker-Krankenkasse entfielen im Jahr 2018 180 Arbeitsunfähigkeitstage je 100 Versicherungsjahre in Verkehrs- und Lagerberufen auf Rückenschmerzen und 282 auf Rückenerkrankungen allgemein [1]. Schätzungen ergeben, dass 30 bis 40 % der genannten Ausfalltage durch betriebliche Präventionsmaßnahmen und deren Umsetzung vermeidbar sind. Da die Bandscheiben selbst keine Schmerznerven haben, kann der gesunde Mensch die mit gebeugtem Rücken oder verdrehtem Oberkörper verbundenen Fehlbeanspruchungen nicht spüren und handelt so häufig ergonomisch inkorrekt [2].

Lösung mit Wearable Robotics?

Eine Alternative zu stationären Assistenzsystemen bieten die körpergetragenen (wearable) Systeme, die momentan verstärkt in Produktionsumgebungen getestet werden. Dazu gehören beispielsweise der Chairless Chair von noonee [3] oder das passive Oberarmexoskelett Airframe von Levitate [4]. Hierbei handelt es sich entweder um passive Systeme, die über Federkonstruktionen die Kräfte von einem Bereich des Körpers in einen anderen leiten, oder um aktive Systeme, die die Lasten gezielt über Aktoren (z. B. Elektromotoren) über den Körper verteilen [5].

Sowohl die passiven als auch die aktiven Exoskelette können aktuell die komplexe menschliche Biomechanik nicht uneingeschränkt abbilden. Dies führt häufig zu einem erhöhten Diskomfortgefühl beim Träger. Darüber hinaus kann die Auswirkung der Krafteinleitung in die unterschiedlichen Körperregionen noch nicht abschließend eingeschätzt werden. Nutzerstudien des amerikanischen Militärs zeigen sogar, dass durch Einschränkung der Bewegungsfreiheit, d. h. Probleme bei der Mensch-Technik-Interaktion, ein erhöhter Nutzer-Energieverbrauch entsteht [6].

Dies sind Gründe, warum aktive Exoskelette aktuell lediglich im Rehabilitationsbereich eingesetzt werden, zum Beispiel zum motorischen Wiedererlernen von Bewegungen oder zur Aufrechterhaltung von Mobilität. Mediziner kritisieren, dass eine starke Kraftunterstützung durch Exosysteme Muskelatrophie und eventuell Gelenküberlastung nach sich ziehen kann. Ein Assistenzsystem sollte aber die Gesundheit des Werkers erhalten und möglichst auch Ergonomie trainieren.

Bewegungs- und Ergonomieerkennung in Echtzeit

Arbeitsplätze sind hinsichtlich der körperlichen Belastungen im Normalfall ergonomisch eingerichtet. Werden die Bewegungen ergonomisch ausgeführt, besteht nur ein geringes Schädigungsrisiko. Das bedeutet, dass die Arbeitskräfte motiviert werden sollten, ihre Tätigkeiten ergonomisch auszuführen. Die Kern-Features eines Systems, mit denen sich diese Forderungen realisieren lassen, sind [7]:

• Bewegungsmessung des Körpers mit Embedded-Sensorik

• Echtzeit-Bewegungsanalyse

• Echtzeit-Ergonomieanalyse auf Basis etablierter Skalen und Methoden

• Echtzeit-Feedback für den Nutzer (z. B. Vibration).

Das Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) in Berlin hat mit dem Assistenzsystem „Ergo Jack“ genau diese Kern-Features umgesetzt. Dabei können unterschiedliche Unterstützungsoptionen gewählt werden. Die Palette reicht von einer reinen sensorischen Textilweste über eine orthesengestützte Oberkörperweste bis hin zu einer Leichtbau-Weste, die Kräfte aus dem Oberkörper über Federelemente in die Beine ableitet und somit die Kräfte, die vor allem auf die Lendenwirbel wirken, reduziert (siehe Bilder). Das dargestellte System wurde mit der minimal nötigen Auflagefläche zwischen Mensch und Orthese konzipiert, um einerseits möglichst wenig Wärmestau zu bewirken, aber andererseits auch bei Acht-Stunden-Schichten keine Hautverletzungen durch Reibung zu verursachen. Für die Intentionserkennung wurden fünf 9-dimensionale IMU (inertial measurement unit) verbaut. Diese erfassen die Beschleunigung, die Winkelgeschwindigkeit sowie das Magnetfeld in je drei Dimensionen. Für die gesamte Berechnung wird der Magnetfeldsensor nicht berücksichtigt, sodass Störungen externer Magnetfelder, z. B. produziert durch Maschinen, keinen Einfluss auf die Erkennungsrate haben. Die IMU sind an den Schultern, dem unteren Rücken und den beiden Oberschenkeln angebracht und decken somit essentielle Bereiche für ergonomische Arbeitsabläufe ab. Die verwendeten Sensorfusionsalgorithmen ermöglichen trotz künstlich erzeugter Magnetfelder durch Maschinen eine langzeitstabile Rekonstruktion einer menschlichen Pose. Durch eine immer weiter voranschreitende Miniaturisierung der Sensoren und Recheneinheiten ist es gelungen, diese in die Weste zu integrieren und die Leistung auf unter 2,5 W zu reduzieren. Mit der verwendeten Speichereinheit, die eine Kapazität von 32,4 Wh hat, sind somit auch komplette Arbeitsschichten mit einer Akkuladung möglich.

Eine weitere Neuerung ist ein arretierbares Gelenk an der Seite der Weste, mit dessen Hilfe die Kraftübertragung vom Rücken in die Beine ein- und ausgeschaltet werden kann. Mit diesem Mechanismus lassen sich auch wechselnde Tätigkeiten ausführen, d. h. der Mitarbeiter kann ohne Probleme zwischen körperlich belastenden Tätigkeiten, zum Beispiel Heben schwerer Güter, und sitzenden Tätigkeiten wechseln.

Wie sieht die Unterstützung in Zukunft aus?

Körpergetragene kraftunterstützende Systeme sind besonders für repetitive Arbeiten eine sinnvolle Möglichkeit, die Ergonomie der Arbeitskräfte zu verbessern. Es ist jedoch notwendig, dass der Träger eine gezielte Unterstützung erhält und ein erhöhtes Körpergefühl entwickelt. Die vorgestellten Lösungsansätze realisieren dies durch eine Echtzeit-Ergonomieerfassung mit taktilem Feedback bei „Ergo Jack“ und einer passiven Kraftübertragung. Eine Erweiterung von „Ergo Jack“ mit Hilfe von softrobotischen Lösungskonzepten, wie textilen Aktuatoren, kann zukünftig auch typische Diskomfortprobleme, wie Joint-Alignement (Gelenkpositionierung) und Systemkalibration, weitestgehend eliminieren und einen maximalen Tragekomfort bei gleichzeitiger intelligenter Kraftunterstützung ermöglichen.

Autor: M.Sc. Jan Kuschan, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) in Berlin